[논문 리뷰] Physical Interaction and Manipulation of the Environment using Aerial Robots

Azarakhsh Keipour|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 06.

Robotic Path Planning Algorithms인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 완전구동 다중로터를 위한 실시간 제어기를 제안하며, 탄성 물체를 포함한 환경과의 정밀한 물리적 상호작용을 가능하게 한다. 로봇이 이용할 수 있는 순간적인 힘과 모멘트의 전부를 추정하는 방법을 도입함으로써 제어 성능을 햖थ하고, 이전에는 실현 가능하다고 여겨지지 않았던 타당한 조작 작업을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The physical interaction of aerial robots with their environment has countless potential applications and is an emerging area with many open challenges. Fully-actuated multirotors have been introduced to tackle some of these challenges. They provide complete control over position and orientation and eliminate the need for attaching a multi-DoF manipulation arm to the robot. However, there are many open problems before they can be used in real-world applications. Researchers have introduced some methods for physical interaction in limited settings. Their experiments primarily use prototype-level software without an efficient path to integration with real-world applications. We describe a new cost-effective solution for integrating these robots with the existing software and hardware flight systems for real-world applications and expand it to physical interaction applications. On the other hand, the existing control approaches for fully-actuated robots assume conservative limits for the thrusts and moments available to the robot. Using conservative assumptions for these already-inefficient robots makes their interactions even less optimal and may even result in many feasible physical interaction applications becoming infeasible. This work proposes a real-time method for estimating the complete set of instantaneously available forces and moments that robots can use to optimize their physical interaction performance. Finally, many real-world applications where aerial robots can improve the existing manual solutions deal with deformable objects. However, the perception and planning for their manipulation is still challenging. This research explores how aerial physical interaction can be extended to deformable objects. It provides a detection method suitable for manipulating deformable one-dimensional objects and introduces a new perspective on planning the manipulation of these objects.

연구 동기 및 목표

• 실세계 항공 조작을 위해 기존 비행 시스템과 통합 가능한 비용 효율적인 제어기를 개발하는 것.
• 완전구동 다중로터에서 보수적인 추력 및 모멘트 가정의 비효율성을 해결하는 것.
• 일차원 탄성 물체(예: 케이블 또는 로프)와의 물리적 상호작용을 가능하게 하는 것.
• 3차원 공간에서 탄성 물체의 항공 조작 가능성과 계획 수요를 연구하는 것.
• 프로토타입 수준의 연구와 실용적인 실세계 응용 사이의 격차를 메우는 것.

제안 방법

• 완전구동 다중로터의 순간적으로 이용 가능한 힘과 모멘트의 전체 집합을 실시간으로 추정하는 알고리즘을 제안한다.
• 새로운 입력 매핑 행렬을 사용하여 제어 입력을 로봇의 역학과 분리하는 제어기 설계를 제안한다.
• 다중로터의 기하학적 모델을 활용하여 각 로터의 기하학적 구조와 회전 속도를 기반으로 추력과 모멘트 기여도를 계산한다.
• 외부 와이어스트레인을 포함한 시스템 모델을 확장함으로써 종단기구의 상호작용을 처리할 수 있도록 제어기를 적응시킨다.
• 현장 센서를 이용하여 일차원 탄성 물체를 탐지하고 추적하는 인식 방법을 개발한다.
• 물체 역학, 종단기구 정밀도, 3차원 공간에서 요구되는 와이어스트레인을 고려한 새로운 계획 접근법을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전구동 다중로터가 실시간으로 이용 가능한 힘과 모멘트를 정확히 추정함으로써 최적의 물리적 상호작용 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존의 비행 소프트웨어 및 하드웨어 시스템과의 원활한 통합을 가능하게 하는 제어 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 항공 로봇이 케이블이나 로프와 같은 일차원 탄성 물체를 효과적으로 조작할 수 있는가?
• RQ4 3차원 공간에서 탄성 물체의 항공 조작 시 주요 역학적 및 운동학적 제약은 무엇인가?
• RQ5 항공 로봇이 탄성 물체를 신뢰성 있게 조작하기 위해 필요한 인식 및 계획 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 실시간 힘과 모멘트 추정 방법은 보수적인 가정보다 더 효율적이고 실현 가능한 물리적 상호작용을 가능하게 한다.
• 제어기 설계는 기존 비행 시스템과 성공적으로 통합되어 완전구동 다중로터의 실세계 조작 작업을 위한 구현 가능성을 입증한다.
• 일차원 탄성 물체를 탐지하고 추적하는 방법은 동적인 환경에서도 신뢰할 수 있는 성능을 달성한다.
• 물체 역학 모델과 정밀한 와이어스트레인 추정을 통한 계획 수립은 강체 가정에 비해 조작 성공률을 크게 향상시킨다.
• 시스템은 케이블 조작 및 탄성 구조물과의 상호작용을 포함한 시뮬레이션 및 실세계 시나리오에서의 타당성을 입증한다.
• 이 연구는 현실적인 환경에서 복잡한 유연한 재료의 자율 항공 조작을 위한 향후 연구의 기초를 마련한다.